全芯片ESD保護環的研究與設計

牛剛

摘要：ESD防護設計對于芯片可靠性來說是非常重要的，在芯片設計初期，就要全面考慮。尤其是在版圖面積很大且會產生大ESD電流泄放的情況下，就需要考慮全芯片ESD電流泄放路徑最優設計。以確保在發生ESD時，大脈沖電流可以正常泄放 。因此，必須深入研究全芯片ESD保護環的設計。

關鍵詞：集成電路;ESD防護技術;防護應用

近年來芯片技術發展迅速，智能功能不斷完善。集成電路設備的體積也明顯減少，向微小型設備的過渡。在芯片組成為合格產品之前，必須先進行可靠性測試，ESD是可靠性測試重要的評估項目之一。

一、ESD 產生的原因和放電方式：

按照 ESD 產生原因和放電方式不同，ESD模式主要包含人體放電模式、機器放電模式、元件充電模式這三種。相比于 HBM、MM模式下電荷由外部經 Pin由IC進入內部再由 Pin 輸出，CDM 模式中靜電電荷由Ic內部經 Pin 向外部泄放。 HBM 等效模型中人體電容為 100pF、人體放電電阻為1.5KΩ;MM 等效模型中等效電容為200pF;CDM等效模型中的等效電容無確定值。

二.ESD防護電路中的設計原則分析

必須確保在芯片正常期間ESD電路不開啟，處于關閉狀態。這主要是ESD裝置觸發電壓之間的恒定關聯，在觸發不當時會引起核心電路的某些問題。只有在微電子芯片上發生ESD事件時，保護裝置才快速打開，并在極短時間內完成電流泄放。另外，發生相對較快的ESD事件時，例如設備的充電模式。一旦保護電路不立即開啟，核心電路將被破壞。

三、集成電路ESD的防護器件

1.電阻。保護裝置是集成靜電放電主要組成部分。電阻在集成電路的制造過程中應用很大。因為電阻是無源裝置，所以集成電路可以有效地控制靜電放電的發生。此外，電流大小和N型阱電阻系統內發生的之間差異不明顯。

2.二極管。在集成電路中廣泛使用，是一種結構簡單的電壓鉗位裝置。當二極管應用在ESD保護電路中，能解決電路中靜電放電放電問題。利用二極管反偏擊穿特性。反偏二極管可以作為 ESD 保護器件。但是雖然正向二極管導通后電流可以達到很大，但是其開啟電壓太低所以不能作為pin 與電源問的負向 ESD保護器件，可用二極管級聯的方式增加開啟電壓 ，通常的做法是Pin處二極管以反接的方式接到電源和地上，當對地打正的 ESD 時通過對地的二極管反偏擊穿放電（但是閾值電壓比較高），當對地打負的_ESD時通過對地的二極管正偏放電（閾值電壓低）;當對電源打正的 ESD 時通過對電源的二極管正偏放電（但閾值電壓低）。當對電源打負的ESD 時通過對電源的二極管反偏擊穿放電（但是閾值電壓比較高）。

3.晶體管。廣泛應用于集成電路中，前后偏置pn結用于釋放靜電電流并且保護設備。利用 BIT集電結反偏擊實能產生的snapbacklV關系以NPN為例

基極和接地之間加入電阻。該BJT 接法為共射結構。其時的 擊穿電壓定義為 中 open-base breakdown voltage，為，其與發射站擊穿電壓 相關。正向ESD 使得集電結反偏。電樂超過第一崩潰點閾值（由 決定）則集電結擊穿。雪崩擊穿產生的空穴進入基極。基極電流滿足 關系，擊穿電流方向 為集電極->基極。在基極發射極外加電阻的情況下，基極電壓大于發射極，發射結正偏，當 大于發射結開啟電壓后，BJT 進入電流放大區，集電極電壓下降，BJT 進入低阻抗區，保持電壓即為發射結開啟電壓。當電流繼續增大到二次崩潰點 ，熱量功率 大于器件能承受的極限值使得器件永久性失效。反向 ESD，發射極電流方向為發射極向內，基極電流方向為基極向外，由于外加電阻的作用，發射結正偏，BJT 工作在電流放大區。

四、全芯片ESD保護環的研究與設計

圖1顯示了1.8v/3.3v電壓下全芯片ESD防護裝置的圖像。

1.ESD保護輸入級電路。

如圖1，ESD1、ESD2、ESD3和ESD4構成具有兩個輸入ESD級別的雙向保護結構。輸入端靜電保護電路直接連接到晶體管的柵極，因此ESD1、ESD2、ESD3、ESD4必須具有兩種功能：泄放電流和電壓鉗制。在完成全面檢查后，創建第一級保護電路：ESD1=GGPMOS1，ESD2 = GGNOS 2，其中設計要求是符合Foudary提供的標準防靜電設計要求。二級保護電路由ESD3=GGPMOS2和ESD4 = GGNOS 2，組成。此外，Res是ESD脈沖的多晶電阻。在ESD發生時用于保護電路保護輸入晶體管柵3.3V_core。

2.防靜電保護電路的輸出電路，輸出端為1.8V VDD，這端受ESD6保護。輸出端和1.8V GND受ESD7的保護。

3.接地電源防靜電保護電路。如圖1，ESD5和ESD8分別在發生管腳對管腳、對地ESD電流泄放時保護內部電路。在評估了所有芯片的版圖區域后，ESD5和ESD8都是使用GGMOS保護設備實現的。

保護電路觸發電壓必須低于其他保護裝置的觸發電壓，并且需考慮Rbus的電源線寄生電阻，

四、集成電路的ESD防護技術

在靜電放電中。晶閘管經常用于保護集成電路。在具體應用中選擇了一種易于控制的晶閘管有效降低了的靜電放電現象。根據對晶閘管構分析，在對集成路實施靜電保護時，一般會共同構造兩種電阻和兩種寄生晶體管，有助于避免對集成電路的運行造成嚴重影響。另外，ESD保護帶有可控硅晶閘管時，這些設備通常被視為兩端的設備，因此在某些可控硅晶閘管電路中，這些設備連接到集成電路。以確保在晶閘管電極靜電放電過程中得到充分保護。本文分析了各種防靜電保護裝置的特點和原理。通過計算Rbus電源寄生電阻，描述防靜電保護電路的輸入，輸出以及管腳的邏輯布局。

參考文獻

[1]李沸.集成電路的ESD防護技術分析[J].科技風，2019（15）：201-201.